基因組教學講解課件

第二章

基因組與蛋白質組GenomeandProteome1第二章基因組與蛋白質組GenomeandPrDNARNAProtein基因組學蛋白質組學轉錄組學代謝組學2DNARNAProtein基因組學蛋白質組學轉錄組學代謝組學

基因

是存在于染色體上的具有特定的遺傳功能的DNA片段，基因可分為三大類：mDNA、tDNA、rDNA，就病毒而言，基因也可以是RNA片段。3

基因組

指一個細胞或者一種生物體的整套遺傳物質。

1920年德國漢堡大學植物學教授HansWinkler提出4基因組真核生物基因組染色體基因組線粒體基因組葉綠體基因組

原核生物基因組染色體基因組質粒病毒5真核生物基因組5

基因組學概念：基因組學是研究生物基因組的組成、組內各基因的精確結構、相互關系及表達調控的科學，是涉及基因作圖、測序和整個基因組功能分析的遺傳學分支。6基因組學概念：基因組學是研究生物

基因組學分類結構基因組學：以全基因組核苷酸序列測定為目標功能基因組學：根據(jù)結構基因組學提供的信息，借助計算機分析以高通量、大規(guī)模的實驗方法，系統(tǒng)地對基因功能進行詮釋7基因組學分類7第一節(jié)基因組8第一節(jié)基因組8生物基因組大?。╞p）病毒，噬菌體φ-x1475378（最早）病毒，噬菌體λ5×104細菌，大腸桿菌4×106變形蟲，無恒變形蟲67×1010（最大）植物，貝母13×1010真菌，釀酒酵母2×107昆蟲，黑腹果蠅2×108哺乳動物，人3×109不同生物基因組大小9生物基因組大?。╞p）病毒，噬菌體φ-x1475378（最早

什么是原核生物（prokaryote）？細菌、支原體、衣原體、立克次體、螺旋體、放線菌和藍綠藻等原始生物的總稱，是最簡單的細胞生物體。一、原核生物基因組10一、原核生物基因組10（一）原核生物基因組的特征1.基因組分子質量較小2.環(huán)狀雙鏈DNA分子3.具有類核結構4.廣泛存在操縱子結構5.多為單拷貝6.結構基因無重疊現(xiàn)象7.具有編碼同工酶的不同基因8.具有可移動的DNA序列9.非編碼區(qū)內主要是一些調控序列11（一）原核生物基因組的特征1.基因組分子質量較小2.環(huán)狀雙鏈1.基因組分子質量較小一般在106~107bp之間基因數(shù)目較少，約3500個2.環(huán)狀雙鏈DNA分子3.具有類核結構121.基因組分子質量較小一般在106~107bp之間2.環(huán)狀雙

大腸桿菌的類核結構模型+RNA松弛DNA環(huán)13大腸桿菌的類核結構模型+RNA13

4.廣泛的操縱子結構

操縱子結構是原核生物基因

組的功能單位，是原核生物基因組的一個突出的結構特點，其中結構基因的轉錄產物為多順反子144.廣泛的操縱子結構14

操縱子

(operon)概念：在原核生物中，多個功能相關的結構基因成簇串聯(lián)排列，與上游共同的調控區(qū)和下游轉錄終止信號組成的基因轉錄單位。15操縱子(operon)AYZII乳糖操縱子(lacoperon)的結構結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：

透性酶A：

乙?；D移酶16AYZII乳糖操縱子(lacoperon)的結構結構基因乳糖乳糖半乳糖葡萄糖乙酰輔酶A輔酶A乙酰半乳糖+β-半乳糖苷酶乙酰基轉移酶透性酶lacZ基因編碼lacY基因編碼lacA基因編碼17乳糖乳糖半乳糖葡萄糖乙酰輔酶A輔酶A乙酰半乳糖+β-半乳糖苷CAPOPAYZ乳糖操縱子(lacoperon)的結構結構基因調控序列終止序列CAP結合位點IRNAPol.PromoterOperatorCAP:catabolitegeneactivationprotein18CAPOPAYZ乳糖操縱子(lacoperon)的結構結構

乳糖操縱子的調節(jié)機制阻遏蛋白的負性調節(jié)CAP的正性調節(jié)協(xié)調調節(jié)19乳糖操縱子的調節(jié)機制阻遏蛋白的負性調節(jié)19阻遏蛋白的負性調節(jié)

★沒有乳糖存在★僅有乳糖存在20阻遏蛋白的負性調節(jié)20CAPOPAYZ

IGene:OFFNomRNAproducts沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負性調節(jié)RNAPol.21CAPOPAYZIGene:OFF沒有乳糖存在時阻遏

Inducer

（半乳糖）CAPOPAYZIRNAPol.RNAPol.僅有乳糖存在時阻遏蛋白的負性調節(jié)？22InducerCAPOPAYZIRNARNA僅有乳糖泄露表達CAPOPAYZ

解釋23泄露表達CAPOPAYZ解釋23

葡萄糖

降解產物ATPcAMP5`AMP+_

CAP

（無活性狀態(tài)）

CAP-cAMP（活性狀態(tài)）腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶+24葡萄糖降解產物ATPcAMP5`AMP+_CAPOPAYZIRNAPol.RNAPol.乳糖操縱子的CAP正性調節(jié)

（PositiveControlofCAP）CAPcAMP25CAPOPAYZIRNARNA乳糖操縱子的CAP正性調節(jié)CAPOPAYZI

協(xié)調調節(jié)26CAPOPAYZI協(xié)調調節(jié)26

Inducer

（半乳糖）lactoseCAPOPAYZI協(xié)調調節(jié)RNAPol.27InducerlactoseCAPOPAYZI協(xié)調調5.除16S、23S、5SrRNA及tRNA外，原核生物的結構基因均為單拷貝基因。結構基因中沒有內含子，RNA合成后不需剪切加工285.除16S、23S、5SrRNA及tRNA外，原核生物的結6.結構基因無重疊現(xiàn)象重疊基因:基因組DNA中的某些序列被兩個或兩個以上的基因所共有296.結構基因無重疊現(xiàn)象重疊基因:基因組DNA中的某些序列被兩7.具有編碼同工酶的不同基因結構不完全相同的基因，但表達產物功能相同。如，在大腸桿菌基因組中有兩個編碼分支酸變位酶的基因，兩個編碼乙酰乳酸合成酶的基因。307.具有編碼同工酶的不同基因結構不完全相同的基因，但表達產物8.具有可移動的DNA序列

轉座因子：能在基因組中從一個位點移至另一位點的DNA序列稱為轉座因子,又稱可轉座元件。插入序列（insertionsequence）2.轉座子（transposons）3.

可轉移性噬菌體（transposablephages）美國冷泉港實驗室的女科學家B.MClintock318.具有可移動的DNA序列轉座因子：能在基因組中從一個位9.非編碼區(qū)主要是一些調控序列編碼區(qū)所占比例約50%。非編碼區(qū)常有反向重復序列，可形成特殊結構，具有一定的調控作用。*IR（反向重復序列）：TGCGAT

....ACGCTAACGCTA

....TGCGAT

329.非編碼區(qū)主要是一些調控序列編碼區(qū)所占比例約50%。*IR（二）質粒（plasmid）是存在于細菌、真菌等微生物的細胞中，獨立于染色體外，能進行自我復制的遺傳因子。33（二）質粒（plasmid）是存在于細菌、真菌等微生物的細胞質粒的分子結構通常以共價閉合環(huán)狀的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細胞中也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質粒和RNA質粒；34質粒的分子結構通常以共價閉合環(huán)狀的超螺旋雙鏈DNA分子存在于質粒與宿主的關系：質粒所含的基因對宿主細胞一般是非必需的；在某些特殊條件下，質粒有時能賦予宿主細胞以特殊的功能，從而使宿主得到生長優(yōu)勢35質粒與宿主的關系：35

質粒的命名規(guī)則質粒的名稱一般由三個英文字母及編號組成，第一個字母一律用小寫p表示，質粒，plasmid;后兩個字母應大寫，可以采用發(fā)現(xiàn)者人名、實驗室名稱、表型性狀或其他特征的英文縮寫。編號為阿拉伯數(shù)字，用于區(qū)分屬于同一類型的不同質粒，如pUC18和pUC19等。36質粒的命名規(guī)則36

質粒的分類

F質粒R質粒Col質粒功能37質粒的分類F質粒功能37

F質粒（fertilityfactor）

又稱致育因子或性因子存在于腸細菌屬、假單胞菌屬、嗜血桿菌、奈瑟氏球菌、鏈球菌等細菌中，決定性別并有轉移功能一種最有代表性的單拷貝的接合型質粒62×106D，94.5kb，相當于核染色體DNA2%的環(huán)狀雙鏈DNA，其中1/3基因（tra區(qū)）與接合作用有關。38F質粒（fertilityfactor）339394040

R質粒（resistancefactor）

又稱抗藥性質粒或耐藥性質粒具有使宿主菌對鏈霉素、四環(huán)素等抗生素產生抗藥性的基因群由抗性轉移因子（RTF）和抗性決定R因子組成。RTF，11MD，控制質?？截悢?shù)及復制，可使耐藥性自一菌轉移至另一菌；R因子大小不固定，幾MD到100MD，含抗性基因。41R質粒（resistancefactor）4242又稱大腸桿菌素因子大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)，含編碼大腸桿菌素的基因大腸桿菌素是由E.coli的某些菌株所分泌的細菌素，能通過抑制復制、轉錄、轉譯或能量代謝等而專一地殺死其它腸道細菌。

Col質粒（Colplasmid）凡帶Col因子的菌株，由于質粒本身編碼一種免疫蛋白，從而對大腸桿菌素有免疫作用，不受其傷害。43又稱大腸桿菌素因子Col因子可分為兩類，分別以ColE1和ColIb為代表ColE1分子量小，約為5×106Dalton，無接合作用，是多copy的；ColE1研究得很多，并被廣泛地用于重組DNA的研究。ColIb分子量大，約為80×106Dalton，它與F因子相似，具有通過接合作用轉移的功能，屬于嚴緊型控制，只有1-2copy

Col質粒（Colplasmid）44Col因子可分為兩類，分別以ColE1和ColIb為代表復制機制松弛型質粒（relaxedplasmid）嚴緊型質粒（stringentplasmid）復制受到宿主細胞的嚴格控制，只在細胞周期的一定階段進行復制不受到宿主細胞的嚴格控制，在整個細胞周期隨時可以復制45復制機制松弛型質粒（relaxedplasmid）嚴緊型轉移方式接合型質粒：只能使細菌接合，本身不被傳遞，含自我復制基因，接合基因可移動型質粒：可被動傳遞，不能使細菌接合傳遞性質粒：兼有接合和可移動的雙重性質46轉移方式接合型質粒：只能使細菌接合，本身不被傳遞，含自我復制質粒的生物學特性

47質粒的生物學特性47

（一）質粒的大小和拷貝數(shù)1.質粒的大?。阂苑肿淤|量MD或堿基對數(shù)kb表示，1MD的雙鏈DNA=1.65kb。質粒的大小一般在1-200kb，最大的可達1400kb(如苜蓿根瘤菌質粒pRm141a)48（一）質粒的大小和拷貝數(shù)1.質粒的大小：以分子質量M2.質粒的拷貝數(shù)（copynumber）：指同一質粒在每個細胞中的數(shù)量，不同的質粒在同一細胞中的拷貝數(shù)有差異。復制子復制起始點+調控元件是確定某種質粒特性的一個重要參數(shù)復制子決定其拷貝數(shù)492.質粒的拷貝數(shù)（copynumber）：指同一質粒在每個類型代表質粒大?。╧b）拷貝數(shù)宿主表型特征致育因子F因子95-1001-3大腸桿菌,沙門氏菌,檸檬酸桿菌性纖毛、接合轉移R質粒RP4541-3假單胞菌和其它G陰性菌性纖毛、接合轉移，抗Ap、Km、Nm、Tc

R1801-3G陰性菌抗Ap、Km、Su、Cm、Sm

R6981-3大腸桿菌,奇異變形桿菌抗Km、Nm、Su、Cm、Sm

R100901-3大腸桿菌,志賀桿菌,沙門氏菌Cm,Sm,Su,Tc,Hg

pSH621

金黃色葡萄球菌Gm,Tm,Km

pAD225

糞腸球菌Em,Sm,KmCol質粒ColE1910-30大腸桿菌產大腸桿菌素E1

ColE2

10-15志賀桿菌產大腸桿菌素E2

ColDF13

陰溝桿菌產大腸桿菌素DF13毒性質粒Ent（P307）83

大腸桿菌產腸毒素

K88質粒

大腸桿菌粘附抗原

ColV-K302

大腸桿菌攝鐵載體,免疫機制抗性

pZA1056

金黃色葡萄球菌腸毒素B

Ti200

根癌農桿菌誘導腫瘤代謝質粒CAM230

假單胞菌樟腦降解

SAL56

假單胞菌水楊酰降解

TOL75

惡臭假單胞菌甲苯降解

pJP4

假單胞菌2,4-二氯苯乙酰降解

pSym

根瘤菌共生固氮

質粒大小和類型

50類型代表質粒大?。╧b）拷貝數(shù)宿主表型特征致育因子F因子95

(二)質粒轉移性概念：指質粒能從供體細胞把它的一個復本轉移到受體細胞質粒在細菌間的轉移，需要供體和受體細胞間的直接接觸才能進行，即接合作用可以在同種屬也可以不同種屬間轉移51(二)質粒轉移性515252（三）質粒的復制復制所需的酶類和復制蛋白DNA聚合酶的利用復制的方向性復制的終止復制起始復制型53（三）質粒的復制復制所需的酶類和復制蛋白53復制起點（ori）是一段特定的DNA序列，長約幾百堿基對，在其相關的調控元件中含有由質粒或宿主染色體編碼的、參與DNA合成起始調控因子的結合位點。在大多數(shù)質粒中，與復制有關的蛋白質基因位于它們的作用位點——ori序列附近，因此ori位點周圍的小范圍DNA是質粒復制所必需的。如果質粒DNA的大部分區(qū)域被去掉，而只保留質粒的ori序列，而且質粒是環(huán)狀的，則質粒仍然能進行復制。分子克隆中利用質粒載體的結構基礎。54復制起點（ori）是一段特定的DNA序列，長約幾百堿基對，在質粒的復制型

θ型復制（主）單向復制雙向復制滾環(huán)復制55質粒的復制型55

（四）質粒的標記選擇標記：用于鑒別目標DNA(載體)的存在，將成功轉化了載體的宿主挑選出來?？股乜剐曰蚴悄壳笆褂米顝V泛用于將特殊表型的重組子挑選出來α-互補、插入失活篩選標記：56（四）質粒的標記選擇標記：

（五）質粒的不相容性

兩個質粒在同一宿主細胞中不能共存的現(xiàn)象稱為質粒的不相容性以大腸桿菌的質粒為例：ColE1pMB1pSC101p15A57（五）質粒的不相容性兩個質粒在同一宿主細胞Virus二、病毒基因組

病毒是一類個體微小，結構簡單，只含單一核酸（DAN/RNA），嚴格細胞內寄生并能自我復制的非細胞生物。球型子彈型磚型桿型蝌蚪型

形態(tài)58Virus二、病毒基因組病毒是一類個體微小，結構簡單，只含金黃色葡萄球菌立克次體衣原體流感病毒乙腦病毒痘苗病毒脊髓灰質炎病毒噬菌體腺病毒59金黃色葡萄球菌立克次體衣原體流感病毒乙腦病毒痘苗病毒脊髓灰質

病毒的結構裸露病毒

包膜病毒60病毒的結構裸露病毒包膜病毒60病毒體結構模式圖殼粒衣殼核酸核衣殼包膜包膜病毒包膜子粒61病毒體結構模式圖殼粒衣殼核酸核衣殼包膜包膜病毒包膜子粒61病毒核衣殼包膜

（基本結構）（非基本結構）衣殼核酸基因組病毒的結構62病核衣殼包膜（基本結構）（非基本結構）衣殼核酸基因組病毒基因組的結構和功能特征Featureofstructureandfunctionaboutirogenome63病毒基因組的結構和功能特征Featureof基因組大小在不同病毒中差異較大與細菌或真核細胞相比，病毒基因組很?。ㄒ唬┎《净蚪M的大小相差很大基因組大小編碼蛋白質乙肝病毒3.2kb6種痘病毒*300kb幾百種*不僅編碼病毒復制所需的酶類，還編碼核苷酸代謝的酶類，所以對宿主的依賴性小64基因組大小在不同病毒中差異較大（一）病毒基因組的大小相差很病毒的組成成分（二）病毒基因組的核酸類型病毒核酸與所有的原核、真核生物的核酸比較，最為突出的特點是每種病毒顆粒只含1種核酸，據(jù)此，將病毒分為DNA病毒和RNA病毒?；蚪M形狀乳頭瘤病毒DNA雙鏈閉環(huán)腺病毒DNA雙鏈線狀脊髓灰質炎病毒RNA單鏈呼腸孤病毒RNA雙鏈大多數(shù)DNA病毒基因組都是雙鏈分子大多數(shù)RNA病毒基因組都是單鏈分子65病毒的組成成分（二）病毒基因組的核酸類型病毒核指兩個或兩個以上基因的ORF共有一段DNA序列，即某段DNA序列成為兩個或兩個以上基因共有的組成部分，參與編碼2-3種蛋白質。重疊基因有以下幾種情況：（三）重疊基因66指兩個或兩個以上基因的ORF共有一段DNA序列，即某段DNA5′--AUGGCCCUAUGUCAAAAUAATAGC·········UAA--3′完全重疊AUGUAAAAUGUAABABK部分重疊ABUAAUG只有一個堿基重疊675′--AUGGCCCUAUGUCAAAAUAATAGC··重疊基因盡管其重疊部分的DNA結構相同，但由于將mRNA翻譯成蛋白質時的讀框不一樣，所以產生的蛋白質分子并不相同。68重疊基因盡管其重疊部分的DNA結構相同，但由于將mRNA翻譯病毒核酸大多數(shù)順序都用來編碼蛋白質。（四）編碼區(qū)>非編碼區(qū)（95%/5%）RNA-pol結合位點轉錄終止信號核糖體結合位點等如φX174DNA中不翻譯的部分只占217/537569病毒核酸大多數(shù)順序都用來編碼蛋白質。（四）編碼區(qū)>非編碼區(qū)（病毒基因組DNA序列中功能上相關的蛋白質的基因或rRNA的基因往往叢集在基因組的一個或幾個特定的部位,形成一個功能單位或轉錄單元。可被一起轉錄成為含有多個mRNA的分子，稱為多順反子mRNA，然后再加工成各種蛋白質的模板mRNA。（五）相關基因叢集70病毒基因組DNA序列中功能上相關的蛋白質的基因或rRNA的基（六）連續(xù)的和不連續(xù)的基因

病毒基因結構特征往往與其宿主細胞基因結構相似。原核病毒基因是連續(xù)的，沒有內含子；真核病毒基因是不連續(xù)的，有內含子。71（六）連續(xù)的和不連續(xù)的基因病毒基因結構特征往往除了反轉錄病毒以外，一切病毒基因組都是單倍體，每個基因在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次。反轉錄病毒基因組有兩個拷貝。（七）基因組是單倍體72除了反轉錄病毒以外，一切病毒基因組都是單倍體，每個基因在病毒

概念：指病毒基因組由幾條不同的核酸分子組成，多見于RNA病毒。如流感病毒有8條RNA分子，每條都含有編碼蛋白質的信息。含分段基因組的病毒具有以下三個特點：（1）侵染效率低（2）具有較高的重組率（3）容易產生變異（八）分段基因組73（八）分段基因組73

非洲豬瘟病毒科痘病毒科虹彩病毒科細小病毒科嗜肝病毒科皰疹病毒科乳頭瘤病毒科腺病毒科多瘤病毒科圓環(huán)病毒科

正粘病毒科砂粒病毒科布尼病毒科反錄病毒科

副粘病毒科

彈狀病毒科波納病毒科絲狀病毒科嵌杯病毒科星狀病毒科微RNA病毒科

冠狀病毒科動脈炎病毒科披膜病毒科黃病毒科雙RNA病毒科呼腸孤病毒科74非洲豬瘟病毒科

廣泛存在于人、脊椎動物、昆蟲體內以及多種傳代細胞系中，每種病毒只能感染一種動

物（個別例外），僅少數(shù)致病。病毒顆粒分空心和實心兩種狀態(tài)；氯化銫浮力密

度為1.39-1.42，病毒耐熱、耐酸、耐乙醚DNA病毒基因組繁殖及繁殖方式：是專性活細胞內寄生物；它

不可單獨進行繁殖，必須在活細胞內才可。75廣泛存在于人、脊椎動物、昆蟲體內以及多DNA病毒基因組繁DNA病毒基因組特點：1）DNA病毒基因組以雙鏈DNA為多數(shù)，可以是環(huán)狀也可是線狀。2）線形DNA分子末端多含有反向重復序列。3）真核DNA病毒在宿主細胞核內復制。4）DNA病毒一般較RNA病毒大，生活周期復雜。76DNA病毒基因組特點：1）DNA病毒基因組以雙鏈DNA為多數(shù)

雙股線狀DNA病毒痘病毒科(Poxviridae)皰疹病毒科(Herpesviridae)腺病毒科(Adenoviridae)77雙股線狀DNA病毒痘病毒科(Poxviridae)77

末端反向重復序列invertedterminalrepeat,ITR病毒基因組兩端的反向互補重復序列ATCGTACGATTAGCATGCTA78末端反向重復序列inverted臨床分類

黏性末端指病毒基因組雙鏈DNA分子兩端具有能夠互補的單鏈DNA部分。79臨床分類黏性末端指病毒基因組雙鏈DNA分子兩端具

雙股環(huán)狀DNA病毒多瘤病毒科(Polyomaviridae)乳頭瘤病毒科(Papillomaviridae)80雙股環(huán)狀DNA病毒多瘤病毒科(Polyomavirid單鏈DNA病毒81單鏈DNA病毒81細小病毒科一般特性：1、直徑18～26nm2、單分子單股線狀DNA，約5.2kb3、20面體對稱的核衣殼4、無囊膜；5、細胞核內繁殖。突出特點：對外界因素具有強大的抵抗力；病毒對氯仿、乙醚以及熱(56℃30分鐘)和酸（pH3.0，60分鐘）均穩(wěn)定。82細小病毒科一般特性：828383圓環(huán)病毒科一般特性：

1、是目前已知的最小病毒：球狀，直徑：PCV及PBFDV—17nm、CAV—22nm。2、單股環(huán)狀單鏈DNA，1.7～2.3kb（PCV1759bp、PBFDV1993bp、CAV2319bp）。3、20面體對稱核衣殼。4、細胞核內復制。5、抵抗力很強，60℃30min、pH3～9穩(wěn)定84圓環(huán)病毒科一般特性：84吸附85吸附85穿入（有囊膜病毒）86穿入（有囊膜病毒）86穿入（有囊膜病毒）87穿入（有囊膜病毒）87穿入（有囊膜病毒）88穿入（有囊膜病毒）88H+穿入（有囊膜病毒）89H+穿入（有囊膜病毒）89穿入（無囊膜病毒）直接通過胞漿膜90穿入（無囊膜病毒）直接通過胞漿膜90穿入（無囊膜病毒）直接通過胞漿膜91穿入（無囊膜病毒）直接通過胞漿膜91H+92H+92吸附融合內吞溶酶體

脫殼93吸附融合內吞溶酶體脫殼93DNA病毒的復制與轉錄DNA病毒的復制：主要是在細胞核內進行，利用細胞核內的復制酶。病毒復制取決于病毒基因組的大小及編碼病毒蛋白質的能力DNA病毒轉錄：在細胞核內94DNA病毒的復制與轉錄DNA病毒的復制：主要是在細胞核內進行RNA病毒基因組RNA病毒的遺傳物質是RNA繁殖：它不可單獨進行繁殖嗎，必須在活細胞內才可進行舉例：艾滋病病毒，煙草花葉病毒，SARS病毒，西班牙流感病毒，甲型H1N1流感病毒，禽流感病毒，95RNA病毒基因組RNA病毒的遺傳物質是RNA951）RNA病毒多數(shù)為單鏈，少數(shù)也可以呈雙鏈；2）RNA基因組的遺傳信息一般在一條鏈上；3）RNA病毒的變異率很高4）RNA病毒的復制和轉錄常獨立于宿主細胞核RNA病毒的特點：961）RNA病毒多數(shù)為單鏈，少數(shù)也可以呈雙鏈；RNA病毒的特點RNA病毒基因組RNA病毒基因組雙鏈RNA單鏈RNA正鏈RNA病毒負鏈RNA病毒97RNA病毒基因組RNA病毒雙鏈RNA單鏈RNA正鏈RNA病毒

正鏈RNA病毒98正鏈RNA病毒98

負鏈RNA病毒99負鏈RNA病毒99逆轉錄病毒——一類含有逆轉錄酶的單股正鏈RNA病毒逆轉錄病毒的共同特性——1、球形，有包膜，80~120nm2、基因組：單股RNA二聚體，核心有逆轉錄酶3、復制通過DNA中間體，能與宿主細胞DNA整合逆轉錄病毒100逆轉錄病毒——逆轉錄病毒100含有基因表達調控序列（真核生物的啟動子和增強子）具有轉錄終止作用5′端3′端對整合后的轉錄均起著重要作用作用LTR是（cDNA）前病毒整合到宿主染色體DNA的結構。101含有基因表達調控序列（真核生物的啟動子和增強子）具有轉錄終止依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚合酶102依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚103103三、真核生物基因組104三、真核生物基因組104細胞核基因組（cytoblastgenome）細胞器基因組（organellegenome）105細胞核基因組（cytoblastgenome）105由染色體DNA組成：DNA+蛋白質=核小體線性雙鏈DNA分子染色體的數(shù)目，絕大多數(shù)真核生物體細胞都是二倍體基因表達與染色質結構相關（一）細胞核基因組106由染色體DNA組成：（一）細胞核基因組106*M期——染色體形式大部分細胞周期——染色質(彌散狀)107*M期——染色體形式107

DNA染色質的電鏡圖像a、常染色質：密度較低，一部分基因能被表達b、異染色質：密度較高，不被表達(著絲粒、端粒)108

DNA：約200bp

組蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小體——染色體的基本結構多為109DNA：約200bp

串珠狀核小體結構110串珠狀核小體結構110念珠樣結構不利于基因表達乙?；M蛋白有利于基因表達

核小體的細微結構影響基因表達111念珠樣結構不利于基因表達核小體的細微結構影響基因表達111細胞核基因組的特征112細胞核基因組的特征112真核生物基因組都是由大分子雙鏈線狀DNA構成。染色體通常成對出現(xiàn)（雙倍體）?！婧松锘蚪M的一般特征2.基因組非常龐大，結構非常復雜，有多個復制起始位點。113真核生物基因組都是由大分子雙鏈線狀DNA構成。染色體通常成對基因組中存在大量的重復序列以及非編碼序列。真核生物基因組內非編碼序列占90%以上，是與細菌、病毒的重要區(qū)別，在一定程度上也是生物進化的標尺。功能基因大多不連續(xù)，存在有內含子和外顯子；真核生物基因組中也存在一些可移動的DNA序列（轉座元件）。114基因組中存在大量的重復序列以及非編碼序列。真核生物基因組內非單順反子結構多數(shù)的真核生物不存在操縱子結構，每一個基因都單獨構成一個轉錄單位，轉錄產生單順反子mRNA，及編碼一種蛋白質。這是原核生物基因的操縱子結構，轉錄產生多順反子mRNA，可編碼多種蛋白質。115單順反子結構多數(shù)的真核生物不存在操縱子結構，每一個基因都單獨原核生物的多順反子真核生物的單順反子非編碼序列核蛋白體結合位點起始密碼子終止密碼子編碼序列PPP5

3

蛋白質PPPmG-5

3

蛋白質AAA…116原核生物的多順反子真核生物的單順反子非編碼序列核蛋白體結合位

真核生物結構基因的DNA序列由編碼序列和非編碼序列兩部分交替組成，編碼序列是不連續(xù)的，被非編碼序列分割開來，稱為斷裂基因。其包括外顯子和內含子。斷裂基因（splitgene）

117真核生物結構基因的DNA序列由編碼序列和非編碼序列兩部分交外顯子（exon）：編碼的DNA序列，即被表達的DNA區(qū)段內含子（intron）：非編碼的DNA序列Gilbert（1978年）提出內含子、外顯子概念118外顯子（exon）：編碼的DNA序列，即被表達的DNA區(qū)段Gβ珠蛋白基因（1700bp）=3個外顯子+2個內含子。DMD基因（2300kb）=79個外顯子+78個內含子。（迄今認識的最大的基因）119β珠蛋白基因（1700bp）=3個外顯子+2個內含子。119

5`GT——AG3`法則在每個外顯子和內含子的接頭區(qū)都是一段高度保守的共有序列，內含子的5`端是GT，3端是AG，這種接頭方式稱為GT-AG法則，普遍存在于真核生物中，是RNA剪接的識別信號，轉錄后的前體RAN中的內含子剪接位點。1205`GT——AG3`法則在每個外顯子和內含子的接頭區(qū)真核生物內含子和外顯子不是完全固定不變的，有時同一DNA鏈上的某一段DNA序列，當它作為編碼某一多肽鏈的基因時是外顯子，而作為編碼另一多肽鏈時，則是內含子。這樣，同一基因卻可以轉錄兩種或兩種以上的mRNA。真核生物某些結構Gene沒有內含子，如組蛋白Gene，干擾素Gene等。它們多以基因簇形式存在，大多數(shù)的酵母結構Gene也沒有內含子。121真核生物內含子和外顯子不是完全固定不變的，有時同一DNAa)

Intron并非“含而不露”酵母細胞色素b基因IntronII編碼成熟酶斷裂基因概念的相對性b)

Exon并非“表里如一”人類尿激酶原基因ExonI不編碼氨基酸序列c)

Exon也不一定是真核基因特有的T4噬菌體胸腺嘧啶核苷酸合成酶的基因中有一個1017個核苷酸的intron122a)

Intron并非“含而不露”酵母細1）參與基因表達調控，對外顯子的正常表達起調控作用2）增大基因長度，使其更易重組，提高了進化的選擇性。3）斷裂基因是基因選擇性剪接的結構基礎。選擇性剪接可以使同一個基因編碼出許多不同的蛋白質，是基因表達調控的另一種方式。內含子的功能1231）參與基因表達調控，對外顯子的正常表達起調控作用內含子的斷裂基因存在的意義斷裂基因存在是生物進化的結果，是從復制水平而言，不同的外顯子可分別編碼不同的功能結構域，基因外顯子不同的組合產生新的編碼蛋白質，即是外顯子改組。如血紅蛋白和肌紅蛋白均由獨立的外顯子編碼結合血紅素的結構域。124斷裂基因存在的意義斷裂基因存在是生物進化的結果，是從復制水真核生物的重復序列

重復序列：多拷貝的相同或近似序列的DNA片段真核生物基因組中通常存在大量的重復序列，可占整個基因組DNA的90%以上。按復性動力學方法可將這些重復序列分為高度重復序列，中度重復序列和低度重復序列（單拷貝序列）三大類。125真核生物的重復序列重復序列：多拷貝的相同或近似序列（一）高度重復序列高度重復序列在基因組中重復頻率高，可達106次，因此復性速度很快。高度重復序列在基因組中所占比例隨種屬而異，一般在10～60%范圍內。人的高度重復序列約占整個基因組的20%左右。126（一）高度重復序列126是由兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA雙鏈上反向排列而成。高度重復序列按其結構特點可分為兩種：

反向重復序列（invertedrepeats）127是由兩個相同順序的互補拷貝在同一DNA雙鏈上反向排列而成。高反向重復序列的兩種形式發(fā)卡結構128反向重復序列的兩種形式發(fā)卡結構128回文結構畫上荷花和尚畫書臨漢字翰林書129回文結構畫上荷花和尚畫129衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）在基因組中有一類序列的堿基組成不同于其他部分，可用等密度梯度離心法將其與主體DNA分開衛(wèi)星DNA的重復單位一般由2～70bp組成，成串排列。衛(wèi)星DNA占基因組的比例隨種屬而異，在0.5～31%范圍內。130衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）130衛(wèi)星DNA用等密度梯度離心法從基因組中分離出來。131衛(wèi)星DNA用等密度梯度離心法從基因組中分離出來。131人類基因組中可分離出三類衛(wèi)星：大衛(wèi)星DNA（macrosatelliteDNA）：其重復單位為5~171bp，主要分布于染色體的著絲粒區(qū)。小衛(wèi)星DNA（minisatelliteDNA）：其重復單位為15~70bp，存在于常染色體。微衛(wèi)星DNA/短串聯(lián)重復序列（microsatelliteDNA/shorttandemrepeat,STR）：

其重復單位為2~5bp，存在于常染色體，常見于內含子中。132人類基因組中可分離出三類衛(wèi)星：132人類基因組DNA中平均每6～10kb就有一個STR位點。不同個體之間在一個同源STR位點的重復次數(shù)不同。由于重復單位及重復次數(shù)不同，使其在不同種族，不同人群之間的分布具有很大差異性，構成了STR遺傳多態(tài)性。DNA指紋133人類基因組DNA中平均每6～10kb就有一個STR位點。DNA指紋同一種屬中不同個體的高度重復順序的重復次數(shù)不一樣，這可以作為每一個體的特征，即DNA指紋。STR分析法已經(jīng)成為法醫(yī)學領域個體識別和親權鑒定的重要分析方法，可應用于司法案件調查，也就是遺傳指紋分析。134DNA指紋同一種屬中不同個體的高度重復順序的重復次數(shù)不一樣，AlecJ.Jeffreys和歷史上第一張DNA指紋圖譜135AlecJ.Jeffreys和歷史上第一張DNA指紋圖譜115-yearoldLyndaMann

15-yearoldDawnAshworth1986年DNA指紋鑒別首次用于司法調查13615-yearold15-yearold1986年D1802年的一副杰斐遜和莎莉的諷刺畫像1371802年的一副杰斐遜和莎莉的諷刺畫像137高度重復序列的功能參與復制水平的調節(jié)參與基因表達的調控參與轉位與進化有關與個體特征有關與染色體減數(shù)分裂時染色體配對有關138高度重復序列的功能參與復制水平的調節(jié)138基因組中重復次數(shù)<105的重復順序,重復單位平均長度約300bp;復性速度快于單拷貝順序，慢于高度重復順序。多與單拷貝基因間隔排列。多為非編碼序列，如Alu序列也有編碼基因產物的，如rDNA、tDNA、組蛋白基因家族,一般往往以基因家族的形式存在。（二）中度重復序列139基因組中重復次數(shù)<105的重復順序,重復單位平均長度約300依據(jù)重復序列的長度分為：短散在核元件(

shortinterspersednuclearelements,SINEs):平均長度300bp，如Alu家族長散在核元件(

longinterspersednuclearelements,LINEs):平均長度>1000bp，如KpnⅠ家族140依據(jù)重復序列的長度分為：140

Alu家族是哺乳動物和人類基因組中含量最豐富的一種中度重復序列家族Alu家族每個成員長度約為300bp，典型的特征是內部有一個限制性內切酶AluⅠ位點（AG/CT），序列被分割成170bp和130bp的兩個片段，因而稱其為Alu序列或Alu家族。具有種特異性141Alu家族是哺乳動物和人類基因組中含量最豐富的一正向重復序列170bp130bp+31bp130bp正向重復序列正向重復序列正向重復序列6-20bp6-20bp＞＞＞＞＞＞130bp由兩個約130bp的正向重復構成的二聚體；第二個單體中有一個31bp的插入序列，不同成員之間核苷酸順序相似但不相同；兩側為6-20bp的正向重復順序，不同成員的側翼重復順序各不相同；人類Alu序列特征：AluI142正向重復序列170bp130bp+31bp130bp正向重復Alu家族的功能是多方面的，可能參與hnRNA的加工與成熟，也與遺傳重組及染色體不穩(wěn)定性有關。最近研究表明，Alu順序可能具有轉錄調節(jié)作用。143Alu家族的功能是多方面的，可能參與hnRNA的加工與成熟，典型的長散在核元件（LINEs）是KpnⅠ重復序列家族，因在其序列中存在限制酶KpnⅠ的切點而得名。KpnⅠ家族的重復單位一般為6~7kb或更長，其兩側也各有一段正向重復序列，功能上與Alu家族相似。144典型的長散在核元件（LINEs）是KpnⅠ重復序列家族，因在（三）低度重復序列（單拷貝序列）單拷貝序列在基因組中只出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次，因此復性速度很慢。單拷貝序列屬于結構基因，它儲存了巨大的遺傳信息，編碼各種功能不同的蛋白質。145（三）低度重復序列（單拷貝序列）145真核生物基因組中的重復序列146真核生物基因組中的重復序列146多基因家族(multigenefamily)：指由某一祖先基因經(jīng)過重復和變異所產生的一組基因。DNA序列具有較高的同源性（通常大于50%），并且其編碼產物具有相同或相似生理功能的一組結構基因。多基因家族和假基因147多基因家族(multigenefamily)：指由某一祖先可分為二類：一類是基因簇，基因家族成員位置相對集中，成簇地分布在同一染色體上并同時進行轉錄。如組蛋白基因家族。chromosome7148可分為二類：chromosome7148另一類是基因家族成員分布在不同的染色體上，分別進行轉錄，且不同基因編碼的蛋白質在功能上相關，如珠蛋白基因家族。149另一類是基因家族成員分布在不同的染色體上，分別進行轉錄，且不假基因（pseudogene）：在多基因家族中，某些并不產生有功能的基因產物的成員假基因是由于在進化過程中，某些DNA片段發(fā)生了缺失、倒位或點突變，導致調控基因丟失；或無剪接加工信號；或編碼區(qū)出現(xiàn)終止信號；或編碼無功能或不完整的基因。

150假基因（pseudogene）：在多基因家族中，某些并不產根據(jù)假基因產生的機制分類：復制假基因：復制后基因發(fā)生序列變化而失去功能，這樣產生的假基因帶有內含子加工假基因：基因轉錄后加工成熟的RNA經(jīng)逆轉錄生成互補DNA，后者在整合到基因組中稱為加工假基因151根據(jù)假基因產生的機制分類：復制假基因：復制后基因發(fā)生序列變化152152

基因簇長度大于50kb，包括5個功能性基因（

、2個

、

和

）和一個假基因（

）

基因簇知度大于28kb，包含1個有活性的

基因，1個參假基因，2個

基因，2個

假基因和一個未知功能的

基因153基因簇長度大于50kb，包括5個功能性基因（、2個、人類染色體上的假基因154人類染色體上的假基因154基因多態(tài)性（polymorphism）指基因組中某個基因在同種生物的不同個體中，同時和經(jīng)常存在的兩種或兩種以上的變異型或基因型的現(xiàn)象155基因多態(tài)性指基因組中某個基因在同種生物的不同個體中，基因多態(tài)性的類型：

限制性片段長度多態(tài)性(RFLP)(restuictionfragmentlenghpolymorphism)

單核苷酸多態(tài)性(SNP)(singlenucleotidepolymorphism)156基因多態(tài)性的類型：限制性片段長度多態(tài)性(RFLP)15RFLP指用某個限制性核酸內切酶來酶解基因組的某段序列時，在同種的不同個體之間該段序列可能被酶解成長短不等的幾個DNA片段，這些序列在該種生物的群體中形成多態(tài)性。157RFLP指用某個限制性核酸內切酶來酶解基因組的某段序列時，限制性核酸內切酶RE是一類能識別和切割雙鏈DNA特定核苷酸序列的核酸水解酶。GGATCCCCTAGGGCCTAGGATCCG+BamHⅠrestrictionendonuclease,RE158限制性核酸內切酶RE是一類能識別和切割雙鏈DNA特定核159159160160

RFLP的類型1.點的多態(tài)性表現(xiàn)為DNA鏈中發(fā)生單個堿基的突變，且突變導致一個原有酶切位點的丟失或形成一個新的酶切位點。Southern雜交即可診斷。2.序列多態(tài)性①由于DNA順序上發(fā)生突變如缺失、重復、插入所致。②由于高變區(qū)（highlyvariableregion）內串聯(lián)重復順序的拷貝數(shù)不同所產生的，其突出特征是限制性內切酶識別位點本身的堿基沒有發(fā)生改變，改變的只是它在基因組中的相對位置。161RFLP的類型1.點的多態(tài)性161SNP是指單個核苷酸變異而形成的DNA分子多態(tài)性162SNP是指單個核苷酸變異而形成的DNA分子多態(tài)性162163163SNP所表現(xiàn)的多態(tài)性只涉及到單個堿基的變異，也就是通常說的基因的點突變，這種變異可由單個堿基的轉換或顛換所引起。轉換是指同型堿基之間替換顛換是指發(fā)生在嘌呤與嘧啶之間替換164SNP所表現(xiàn)的多態(tài)性只涉及到單個堿基的變異，也就是通

組成DNA的堿基雖然有4種，SNP理論上有四種等位形式，但實際上某一特定位點的SNP通常只有一種變異形式，即二等位多態(tài)。三等位和四等位多態(tài)很少見。人類基因組1SNP/kb，共約300萬SNP，是人群中個體差異最具代表性的DNA多態(tài)性165組成DNA的堿基雖然有4種，SNP理論上有四種等位形式，但根據(jù)SNP在基因組中的位置分為編碼區(qū)SNP

非同義SNP（20-30%）

同義SNP（70-80%）基因周邊區(qū)SNP基因間SNP大多數(shù)SNP位點十分穩(wěn)定，被認為是一種能穩(wěn)定遺傳的早期突變166根據(jù)SNP在基因組中的位置分為166SNP的研究意義

SNP的應用范圍較微衛(wèi)星標記更加寬廣，經(jīng)常被用于基因組作圖、法醫(yī)鑒定、親子鑒定、疾病的連鎖反應、群體遺傳學及生物學進化的研究，此外SNP在個體化醫(yī)學及保健中有著廣闊的應用前景。

人們希望通過研究SNP圖譜，更深刻地認識癌癥、糖尿病、血管性疾病和某些精神性疾病等發(fā)病率高的多基因疾病的發(fā)生機制。167SNP的研究意義SNP的應用范圍較微衛(wèi)星標記是指真核生物染色體線性DNA分子末端的結構部分，通常膨大成粒狀。端粒(telomere)168是指真核生物染色體線性DNA分子末端的結構部分，通常膨大“端粒之于染色體，好像鞋帶兩頭兒的小塑料套和一根美麗鞋帶的關系。如果沒有小塑料套，由幾股繩編起來的鞋帶兒就要散架；同理，如果沒有端粒，你的染色體就劈叉兒、磨禿。你說這么重要的東西值不值一個諾貝爾獎？”----摘自“端粒，好好看住別丟了！”169“端粒之于染色體，好像鞋帶兩頭兒的小塑料套和一根美麗鞋帶的關FISH（熒光原位雜交）技術顯示的人染色體端粒170FISH（熒光原位雜交）技術170端粒由特殊DNA即短的GT豐富區(qū)重復序列及蛋白質組成，覆蓋在染色體兩個末端。人類是5’TTAGGG3’對保護染色體及維持染色體線性長度有重要意義。保證了DNA復制的完整性。171端粒由特殊DNA即短的GT豐富區(qū)重復序列及蛋白質組成，覆蓋端粒酶(telomerase)：由特殊的RNA及蛋白質組成的復合體，能以自身的RNA為模板，催化端粒的延伸。組成：端粒酶RNA(humantelomeraseRNA,hTR)端粒酶協(xié)同蛋白(humantelomeraseassociatedprotein1,hTP1)端粒酶逆轉錄酶(humantelomerasereversetranscriptase,hTRT)

172端粒酶(telomerase)：由特殊的RNA及蛋白質組成的端粒酶的爬行模型（動畫演示）173端粒酶的爬行模型（動畫演示）173端粒酶的作用機制——爬行模型174端粒酶的作用機制——爬行模型174真核生物線粒體和葉綠體中攜帶遺傳物質，能自行復制和表達（二）染色體外基因組——線粒體線粒體DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）屬于真核細胞核外遺傳物質，可獨立編碼存在于線粒體中的多肽鏈、rRNA或tRNA。mtDNA為雙鏈環(huán)狀DNA，其分子結構特點與原核生物DNA相同。175真核生物線粒體和葉綠體中攜帶遺傳物質，能自行復制和表達（二

人線粒體基因組共編碼37個基因2個RNA---基因16S和12SrRNA22個tRNA基因13個蛋白質基因

1個Cytb基因2個ATP酶亞基的基因-ATPase6和ATPase83個細胞色素氧化酶亞基基因-CO1、CO2、CO3

7個呼吸鏈NADH脫氫酶亞基的基因176人線粒體基因組共編碼37個基因2個RNA---基因16S和高等動物線粒體基因組的特點:

母系遺傳。

mtDNA損傷后不易修復,突變率高。遺傳密碼與通用密碼有差別。半自主性復制與協(xié)同作用177高等動物線粒體基因組的特點:母系遺傳。177人類基因組humangenome

核基因組

22對常染色體X、Y性染色體線粒體基因組178人類基因組humangenome178人的體細胞染色體179人的體細胞染色體179

人類基因組計劃是美國科學家于1985年討論醞釀，諾貝爾獲獎者RenatoDulbecco于1986年發(fā)表的短文《腫瘤研究的轉折點:人類基因組測序》中率先提出,于1990年10月1日，HGP正式啟動！180人類基因組計劃是美國科學家于1985年討論醞釀

人類基因組計劃

旨在測定人類染色體（指單倍體）中所包含的30億個堿基對的核苷酸序列，從而繪制人類基因組圖譜，并且辨識其載有的基因及其序列，達到破譯人類遺傳信息的最終目標。181人類基因組計劃18120世紀人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉

40年代第一顆原子彈爆炸60年代人類首次登上月球90年代人類基因組計劃18220世紀人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉40年代第一顆原子彈爆炸

1992年，一個國際合作組完成了對酵母3染色體DNA的全部315357個堿基序列的測定，這是人類完成的第一條真核生物染色體DNA的全序列測定。

人類基因組計劃大事件

1995年，科學家們獲得了人類第3、第16和第22號染色體的高密度物理圖。1999年12月1日，科學家們宣布，人類第22號染色體含3.34107個堿基對的測定已經(jīng)全部完成，這是人類完成的第一條人類自身染色體的全部序列測定。

2000年6月26日，美國總統(tǒng)克林頓在白宮宣布：人類基因組草圖的繪制工作已經(jīng)完成。1831992年，一個國際合作組完成了對酵母3染色體DNA的全部2001年2月